硕士论文2400吨级江海直达货船优化设计研究.doc

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1、分类号： 密级： ： 编号： 工学硕士学位论文2400吨级江海直达货船优化设计研究硕士研究生指导教师学位级别：工学硕士学科、专业：船舶与海洋结构物设计制造所在单位：船舶工程学院论文提交日期：2011年3月论文答辩日期：2011年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学 Classified Index:U.D.C:A Dissertation for the Degree of M.EngResearch and Optimal Design on 2400t Class of River-to-Sea Cargo ShipCandidate:Sun HonggangSupervisor:Resear

2、cher Feng FengAcademic Degree Applied for:Master of EngineeringSpecialty:Design and Construction of Naval ArchitectureAnd Ocean StructureDate of Submission:Mar. 2011Date of Oral Examination:Mar. 2011University:Harbin Engineering University哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数

3、据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）： 日期： 年 月 日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文

4、的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（在授予学位后即可 在授予学位12个月后 解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）： 导师（签字）：日期： 年 月 日 年 月 日摘 要由于商品流通的扩大，许多货物需要由海上和内河协作配合运输，江海直达运输正是这样一种方式。江海直达运输方式减少了中间环节，消除了货物损耗，缩短了货物的中转周期，降低了营运成本，提高了运输效率，符合现代物流的发展趋势，深受船东和货主的青睐。在中国，江海直达船舶有着广阔的发展和应用前景，它对连接中国的

5、沿海、远洋航运和内河航运起着重要的作用。本文以2400吨江海直达货船为研究对象，根据本船的船型特点，研究适合的优化设计方法与思路，借鉴国内外船舶优化研究方法，对本船进行优化设计研究。主要有两方面内容：一是对其结构进行优化；二是对其推进节能进行改进。 对本船进行结构优化设计后，通过MSC.Patran/Nastran软件建立全船有限元模型，根据中国船级社散货船结构强度直接计算分析指南及相关规范，采用全船有限元直接计算法对船体结构强度进行校核和分析，以便真实的考虑各种载况和波浪条件下，船舶航行状态下的各种响应，并校核大开口条件下船体的总纵强度。船舶节能目前已成为世界各国造船界和航运界研究的重要课题

6、，它关系到节约燃料和费用、环境保护以及船舶营运经济效益等问题。随着造船业和世界经济的发展，油价越来越高，致使船舶燃料费用呈显著增高趋势，占船舶营运总费用开支成本的比例较大。因此，船舶节能极为重要，是船舶营运业极为关心的问题，也是关系到国民经济发展的问题。目前，船舶推进节能的技术和方法有很多，对本船推进节能的应用，本文采取一种简单而又实用的方法改变齿轮箱的减速比，来提高螺旋桨的效率，在主机发挥相同功率的情况下，可以降低燃油消耗率，达到节能的目的。本船推进节能改进后，将与原船的推进系统进行比较，以验证和检验其节能效果。关键词：江海直达货船；大开口；结构优化；推进节能ABSRTACTSince th

7、e expansion of commodity circulation, many goods require coordination and cooperation by the sea and river transportation. The river-to-sea mode of transportation is such a way like this. It can reduce intermediate links, eliminate the loss of goods, short the period of transit of cargo, reduce oper

8、ating costs and improve efficiency of transportation. It is a favorite way by the owner of ships and the owner of goods. In China, the river-to-sea ships broad prospects for the development and application, it plays an important role which connects Chinas coastal, ocean shipping and inland navigatio

9、n.This thesis, titled the Research and Optimal Design on 2400t class of River-to-Sea Cargo Ship, based on 2400t class of river-to-sea cargo ship. According to its characteristics of form, studying domestic and international methods and ideas of optimal design, what is in order to optimize the design

10、 of the ship. The main concept of this paper is as follows: One is to optimize the ships structure; another is to improve the efficiency of propulsion system.After the structure of the optimum design of the ship, it will have a research on the direct calculation of strength to the whole hull structu

11、re through FEM and various problem in the process. The ships structure has features such as big cabin and large deck-openings. The calculation software MSC.Patran/Nastran is adopted to establish the model of whole ships hull and analyze the distribution of deformation and stress, evaluate the ship s

12、tructure strength completely, which is based on China Classification Society Bulk Carrier of Direct Strength Guide and related rulesEnergy-saving on the ship has become the important issues on shipbuilding industries and shipping community in the world. It is related to fuel and cost savings, enviro

13、nmental protection and operation of the ships economic benefits. With the development of shipbuilding, the fuel costs of ships were significantly higher and higher, and it has turned into a larger percentage of total operating expenses accounted for the cost of shipping. Therefore, energy-saving on

14、the ship is extremely important, which is related to issues of national economic development.Currently, there are lots of methods and technologies on the ship propulsion and energy-saving. It will be to use a simple and practical methodto change reduction ratio of the gearboxto improve the efficienc

15、y of propulsion system on the application of this ship. It can improve the efficiency of the propeller and reduce fuel consumption to save energy in the same power of main engine. After the propulsion energy-saving improvements, it will be compared to the original ships propulsion system in order to

16、 verify and test the energy-saving effect.Key words: the river-to-sea cargo ship; large deck-openings; structure optimization; promoting energy-saving目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 江海直达船舶发展概况11.2.1 国内研究背景及现状11.2.2 国外研究背景及现状31.3 本文主要工作任务5第2章 船体结构优化62.1 船体结构62.1.1 2400吨江海直达货船主尺度及主要参数62.1.2 结构形式62.2 结构优化92.2.1 优

17、化策略92.2.2 优化方法92.3 船体强度理论102.3.1船体总纵强度6102.3.2船体横向强度112.3.3船体扭转强度122.4 船体结构强度有限元分析方法122.4.1 有限元法的发展122.4.2 船体结构强度有限元分析方法132.5 本章小结14第3章 计算模型153.1 有限元模型153.1.1 坐标规定153.1.2 单位制定义153.1.3 符号规定153.1.4 模型范围163.1.5 单元和网格173.1.6 材料参数183.1.7 创建材料模型183.1.8 给模型附属性183.2 边界条件193.3 计算工况203.3.1 CCS规定203.3.2 全船模型计算

18、工况223.4 计算载荷223.4.1 空船重量223.4.2 基于CCS的模型计算载荷223.4.3 整船计算的设计波载荷模型273.4.4 本船计算的设计波293.5 本章小结30第4章 计算结果及分析314.1 位移计算结果314.2 应力计算结果344.2.1 许用应力344.2.2 工况一应力计算结果344.2.3 工况二应力计算结果364.2.4应力结果分析384.3 总纵强度校核384.3.1 计算依据384.3.2 基本剖面模数及惯性矩384.3.3 剖面模数的计算404.4 本章小结41第5章 船舶推进节能技术及措施425.1 概述425.2 船舶推进节能技术425.2.1

19、节能船型425.2.2 水动力节能附加装置435.2.3 船机桨最佳匹配445.2.4 结构优化设计445.2.5 新型高效推进器455.2.6 高效舵465.3 节能螺旋桨465.3.1 卡普尔（Kappel）螺旋桨465.3.2 大侧斜螺旋桨475.3.3 尾流收缩叶梢有载螺旋桨（CLTP）485.4 本章小结49第6章 2400吨江海直达货船推进节能的应用506.1 2400吨江海直达货船的推进系统506.1.1 主机、减速齿轮箱主要参数506.1.2 推进因子及收到马力506.1.3 原螺旋桨参数506.2 2400吨江海直达货船的推进节能的应用516.2.1 推进节能采用的方法516

20、.2.2 改进螺旋桨的设计516.2.3 改进螺旋桨与原螺旋桨比较616.3 本章小结62结 论63参考文献64攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果66致 谢67第1章 绪论1.1 引言江海直达运输方式营运成本低、货物损耗少，货物的中转周期短，实现了“门到门”的运输服务，符合现代物流的发展趋势。在中国，江海直达船舶有着广阔的发展和应用前景，它对连接中国的沿海、远洋航运和内河航运起着重要的作用。中国的沿海地区以及长江、珠江、黑龙江三大流域的工业、商业、农业、通信业正欣欣向荣，促使这些地区的经济加速发展。由于商品流通的扩大，许多货物需要由海上和内河协作配合运输。近年来，随着国际贸易迅速增长，

21、各个领域经济的进一步发展，中国的江海运输方式已经成为国民经济的一个重要问题1。中国东面和东南面的海岸线毗连太平洋，沿岸有许多港口，如大连、天津、青岛、上海、广州和香港。另外，中国的内河较多，长江、珠江、黑龙江几大水系为内河航运提供了有利条件。由于目前我国铁路运输紧张、公路运力有限，再加上我国河流与海岸线相通的地理特点，发展江海直达航运事业是大有可为的。我国江海直达运输的货物种类较多，变化较大，货源也不稳定。目前，已设计和建造使用的有江海直达多用途船、江海直达集装箱船、江海直达化学品船以及江海直达煤矿两用船等。从国内外的发展来看，为了提高经济性，江海直达船舶多数向集装箱化多用途船发展，以适应货种

22、多、变化大、货源不稳定的不定期航线，承担普通杂货、大宗散货和集装箱的运输。1.2 江海直达船舶发展概况1.2.1 国内研究背景及现状江海直达船舶在中国起步较晚，中国的江海直达船舶发展可以分成三个阶段：第一阶段：1980年以前，常规海船直接进入长江，例如载重量10000t的远洋船舶可以直达南京；在夏季，载重量5000t、吃水6.5m的远洋船舶可以直达武汉1。 第二阶段：在20世纪80年代初，中国开发了沿海浅吃水船舶。就某些港口，例如上海而言，在长江口有浅滩，港口和沿海之间有一段水深较浅的通道，因而开发了一种沿海浅吃水散货船。上海建造了吃水9.5m、载重量为35 000t的运煤散货船；浙江省海门市

23、建造了吃水为6.8m、载重量为11 000t的散货船。批量建造的5000吨级原油运输船, 航行于长江中游的长岭至大连及日本等航线。图1.1 2400/3300吨级江海直达货轮第三阶段：20世纪80年代中后期迄今，我国江海直达运输船舶得到了跨越式发展，许多江海直达船舶已经建成并投入运营。黑龙江水系1993年建成了航行于日本的1500吨级超浅吃水（吃水2.7-3.3m）江海直达多用途船，福建和浙江也分别于20世纪80年代中期和末期建成1000吨级的多用途江海直达船，珠江水系也在研制开发千吨级的江海直达集装箱船。表1.1为我国江海直达船的船型要素表。表1.1：我国江海直达船型要素表序号项目单位100

24、0t级江海直达货船闽海1011000t级江海直达货船钱塘号1200t级江海直达货船黄鹤8号2300t级江海直达货船3000t级江海直达货船1总长m62.8580.964.983.196.352垂线间长m587560.976893型宽m11.61311.612.815.84型深m55.255.96.85设计吃水m3.62.53.54.546排水量t1813/21652035/2493192331927总吨位t99417329981586.618载货量t1000/1352866/132412002127/220730001.2.2 国外研究背景及现状二次大战后，远洋沿海内河直达运输方式是欧洲各国航

25、运界一直追求的目标。直达运输方式可避免货物在港口中转倒载，有利于减轻河口港的疏运压力，加快货物周转速度，减少货损货差，降低运输成本2。因此，“二战”后欧洲的江海直达船舶发展相当快。各国的江海直达运输方式取决于各自内河航道建设、货源及流向、综合运输的格局，有明显的地域特点。图1.2 德国江海直达多用途船NeilB号西欧的江海直达运输主要是莱因河沿岸到北欧、西欧、非洲等沿海港口。多瑙河也有一些船舶出海到黑海和地中海。莱因河流域有德国、荷兰、比利时等国，都拥有相当数量的江海直达货船(以散货/集装箱多用途船为主)。德国的江海直达船舶较多，仅RMS公司就有250艘江海直达船舶。代表船型有级航道的皮尼希型

26、、级航道的肯佩纳型、级航道的多特蒙得埃姆斯运河型、级航道的莱茵赫尔内运河型(欧洲型)、级航道的大型莱茵船。各船型参数见表1.2：表1.2：西欧江海直达船型航道分级代表船型标准吨位（t）船长（m）船宽（m）吃水（m）固定最高点（m）皮尼希型30038.55.002.203.55肯佩纳型60050.06.602.504.20多特蒙得埃姆斯运河型100067.08.202.503.95莱茵赫尔内运河型(欧洲型)135080.09.502.504.40大型莱茵船200095.011.502.706.70大型莱茵船3000及3000以上俄罗斯由于领海中属于遮蔽水域的内海较多，因此将江海直达船舶分为河海型

27、(由内河出海的船，属内河船舶登记局管理)与海河型(由海进河的船，属海船登记局管理) 3。俄罗斯江海直达船舶规模较大，属河海型登记在册的船舶有1000多艘, 单船吨位从1000多吨5000吨，它的航线一直延伸到中欧、东欧、西欧和北欧。俄罗斯典型江海直达船型见表1.3：表1.3：俄罗斯江海直达典型船型序号船长L（m）船宽B（m）吃水T（m）载重量DW（t）航速V（kn）1134.016.44.3550011.22138.816.73.53515011.03129.515.83.5541129.54127.6515.623.031639.55115.813.444.0314510.06114.061

28、3.43.85311110.5795.0013.33.75303110.8882.4313.223.95255411.3981.011.44.0207511.01082.0111.943.1167511.0图1.3 俄罗斯江海直达货船Sormovsky3060号1.3 本文主要工作任务船体结构优化设计可以分为两类：第一类是根据不同的设计规范要求，确定问题的约束条件，根据相应的船舶种类和结构特点确定问题的设计变量和目标函数，通过高效的优化算法对船舶结构进行优化设计，即称为规范法；第二类是对舱段结构进行有限元分析，直接提取结构相应的应力响应作为约束条件，并确定目标函数和设计变量，选择一定的优化策略

29、，进行船舶结构优化设计，即称为直接法4。本文则是利用上述方法对2400吨级江海直达货船进行结构优化设计研究，其具体内容是对船舶大开口进行优化设计，并利用有限元软件MSC.Patran/Nastran建立全船有限元模型，校核其结构强度。另外，本文还将对2400吨级江海直达货船进行推进节能的研究，探讨适合于本船的推进节能技术和方法。第2章 船体结构优化2.1 船体结构2.1.1 2400吨江海直达货船主尺度及主要参数总 长：84.90m设计水线长：81.65m两 柱 间 长：80.00m型 宽：13.80m型 深：5.60m设计吃水：3.80m首脊弧：0.0尾舷弧：0.30m（起弧点在尾垂线前16

30、m处）设计排水量：3606t上甲板首楼高：2.00m上甲板室高：2.50m艇甲板室：2.50m驾驶甲板室高：2.30m驾驶室高：3.00m总吨位：1997t净吨位：716.85t载重吨：2400t2.1.2 结构形式本船为全钢质、电焊结构，双底、单甲板、双机、双尾鳍、双舵、双桨、尾机型、球鼻首江海直达货船。全船设1个货舱，并且设短首楼。货舱区域为单甲板、双层底(船中纵向设1.3m宽管遂)、 双壳结构形式(双壳内在距基线4.1m处设水平甲板，分隔为顶边舱和下深舱)。上甲板和双层底及顶边舱舷侧采用纵骨架式结构，其余为横骨架式结构。单底部分每档肋位设实肋板。主体于#6、#29、#114共设3道横舱壁

31、。全船肋距分为：尾-#6和#114-首间距为600mm，#6-#114间距为650mm。图2.1 2400吨江海直达货船总布置图底舱由尾至首总布置分别为：尾封板#6：尾尖舱作尾淡水舱，上有舵机舱和淡水舱。#6-#29：机舱。内设推进主机组及各种泵类和其他机电设备，其中，#23-#29船中设监控室，#24-#29为双层底并分隔设重油溢油舱、渣油舱、污滑油舱、清洁滑油舱、滑油贮藏舱、隔离舱。#29-#114：货舱。内左右两舷及双层底设燃油舱和压载舱,具体位置见第2.2条（主要舱柜容积）。#114-首：首尖舱。在平台上下设压载舱。本船主船体和上层建筑一般选用A级船钢，上甲板板厚大于15mm选用B级船

32、钢。本船上层建筑共3层，由于不属于主船体且分布范围较小，故计算模型中对上层建筑结构进行了简化。从计算结果上看，各种计算工况下上层建筑的各种构件中应力确实不大。图2.2 2400吨江海直达货船基本结构图2.2 结构优化船体结构优化设计的目的在于采用消耗量最小而又切实可行的方法，使设计出的船舶满足船级社规范的要求，在使用寿命内具有良好的营运性和维护性，同时又节约成本5。2.2.1 优化策略船体结构优化实际上是一个决策的过程，在众多的可行性方案中选取一个最优方案。本文旨在优化船舶大开口及横剖面的形式。这样优化的目的在于在船舶满足规范的要求下，增加货舱容积，减轻船体重量，方便货物的装卸。以最简洁有效的

33、方法和方式来使船舶达到优化的目的。这也符合船舶优化的原则。2.2.2 优化方法本船的优化方法是把货舱区顶边舱的斜舱壁改为直舱壁，这样做的结果就是货舱容积增大，但甲板大开口同时也增大。甲板大开口的增大，将影响船舶的总纵强度和扭转强度，因此，将对本船进行强度校核。具体方法为：利用MSC.Patran软件建立全船三维有限元模型，根据载况和波浪条件确定各种计算工况和载荷，进行计算分析，评估船体结构强度。本船优化前货舱大开口处横剖面如图2.3，优化后货舱大开口处横剖面如图2.4。图2.3 货舱大开口处优化前横剖面图图2.4 货舱大开口处优化后横剖面图2.3 船体强度理论2.3.1船体总纵强度6船体总纵强

34、度是船体抵抗总纵弯曲变形和破坏的能力。（1）船体在静水中的总纵弯曲船舶在静水中受到的外力有船舶本身及其装载的重力和水的浮力。重力包括船体的重量和机器、设备、燃料、水、船上人员及行李和载货的重量。由于船舶的装载经常变动，船体各段的重力与浮力的不平衡总是存在的，而浮力的大小和分布则是由船体浸水部分的形状决定的。船体长度方向上重力与浮力的差值即为作用在船体上的外裁荷。船体受到外载荷的作用就会发生弯曲变形，在船体内产生弯曲力矩。（2）船体在波浪中的总纵弯曲在波浪状况下，船体内产生的弯矩会比静水中的大。一般认为波浪长度等于船长时，船体的弯曲最为严重。当波峰在船中时，会使船体中部向上弯曲，称为中拱弯曲。当

35、波谷在船中时，会使船体中部向下弯曲，称为中垂弯曲。中拱弯曲时，船体的甲板受拉伸底部受压缩。中垂弯曲时，船体的甲板受压缩，底部受拉伸，见图2.5。图2.5 中拱弯曲和中垂弯曲2.3.2船体横向强度在外力作用下，船体发生的变形或破坏不是在船体的纵向，而是横向。船体结构必须具有足够的能力抵抗这些外力的作用，保持船体横向的正常形状，不发生变形或破坏。船体结构的这种能力称为船体横向强度。保证船体横向强度的结构，主要是横舱壁，其次是由肋骨、横梁与肋板组成的横向框架以及与这些构件相连的外板与甲板板等。对于瘦长型的水面船舶来说，在正常航行条件下，如果船体的总纵强度有了充分保证，船体横向强度通常也就有了保证。对

36、于短而宽，宽深比值比较大(B/D比较大)或甲板有大开口的船体来说，横向强度一般要单独考虑，因为总纵强度要求即使有了保证，而横向强度还不能达到要求，在这种情况下就要侧重考虑横向强度。图2.6 船体横向弯曲变形2.3.3船体扭转强度当船体倾斜地处于波浪中航行时，船体首、尾部的波浪表面具有不同的倾斜方向，由于重力与浮力的分布不平衡，再加上波浪力的影响，船体结构除了总纵弯曲外，还将产生整个船体的扭转，如图2.7所示。图2.7 船体扭转变形当船体的首、尾部分的重量分别集中于不同一侧时，也会有扭矩产生，使船体发生扭转交形或破坏。对于一般开口较小的水面船舶来说，由于具有较多的横舱壁及横向肋骨框架，因此具有较

37、大的抗扭刚度，由扭转所引起的剪切应力通常比较小，所以对船体强度的影响不大。对于甲板上有大开口或宽深比（B/D）较大而舱壁较少的船舶来说，船体的扭转强度则是一个比较严重的问题，设计时必须确保船体结构具有足够的扭转强度。实践表明，船体的扭转强度与总纵强度有着密切的内在联系，当船体的扭转强度不足而发生扭曲变形时，有的纵向构件(包括板)将发生扭曲、失稳、断裂，从而也削弱了船体的总纵强度。2.4 船体结构强度有限元分析方法2.4.1 有限元法的发展目前，结构有限元分析法及其程序已经成为工程设计的标准化工具。有限元法已经被广泛地应用于航空、航天、汽车、船舶、水利、医学和生物等现代科学的各个领域。在船舶工业

38、领域，有限元技术被广泛应用于结构设计、可靠性分析以及船舶结构的评估等多个方面7。20世纪60年代，有限元法在船舶结构领域开始得到应用。在20世纪60年代中期以前，人们采用手工计算的方法，确定结构内部的应力。其方法是根据经典的固体力学理论和结构内部构件的特点，发展出适合船舶和海洋结构物的船舶结构力学，建立了一系列专用的方法，推导出了一些适用公式。但是由于计算量大，手工计算能力有限，计算结果具有局限性和不精确性。由于方法和理论还处于初级阶段，因此有限元法没有得到普遍应用。从20世纪60年代中期起，随着计算机技术的迅速发展，有限元法成为船舶与海洋结构强度设计中一种较为通用的数值方法。在1969年的国

39、际船舶结构会议(ISSC)上，Roren提出了题为“有限元法对船舶结构设计的影响”8的论述。1974年，苏联的巴斯诺夫初步系统地提出了有限元法在求解船舶结构领域的弹性理论的平面问题、平板的弯曲、稳定性、振动问题以及动力学、流体力学和水弹性问题中的应用9。在我国造船界，有限元技术的发展和应用开始于20世纪70年代。经过近20年时间的开发，一些方便应用的专用程序被用于船舶结构强度分析中，构成了我国船舶结构强度计算的发展和实践基础。典型的程序如中国船舶科学研究中心开发研制的CSSRCSAP10程序。目前，我国采用的有限元分析软件大都是引进国外企业的大型通用有限元结构分析软件，这些软件和程序已经广泛应

40、用在船舶结构分析的各个领域。本文将选取MSC.Patran/Nastran有限元分析软件，研究2400吨江海直达货船结构优化后的结构强度问题。MSC.Patran/Nastran软件已经被广泛的应用于各个行业的工程仿真分析11，包括国防，航空航天，船舶，机械制造，汽车，兵器，电子，石化，能源，材料工程，科学研究及大专院校等各个工业领域，用户遍及全球100多个国和地区的设计制造工业公司和研究机构。2.4.2 船体结构强度有限元分析方法有限单元法分析方法适用范围较广，不仅适用于船体结构总纵强度的分析，也适用于局部强度的分析。在分析船体总纵强度应用有限元法时，根据有限元模型建立的不同可分为以下两种方

41、法：1)舱段有限单元法分析方法；2)全船有限单元法分析方法。在船体局部强度分析应用有限元法时，根据有限元模型建立的不同分为以下三种方法：1)板架有限单元法分析方法；2)舱段有限单元法分析方法；3)全船有限单元法分析方法。本文采用全船有限单元法分析方法，就是将整个船体结构离散成功能与原船结构相当的有限元模型，按照实际的结构情况划分节点和单元，然后把船体全部载荷等效为节点载荷作用在节点上，而节点采用单元的刚度支持，计算节点的位移和应力，从而算出单元应力得到全船结构的应力状况，进行结果分析和评估。2.5 本章小结根据2400吨江海直达货船的特点，本章主要介绍了对2400吨江海直达货船的结构优化策略和

42、方法、船体强度理论、船体结构强度有限元分析方法。船体结构的优化有利于增加货舱容积，减轻船体重量，方便货物的装卸，降低船舶的建造成本，有利于其经济性。但这样优化的结果就是增大了甲板大开口，因此要校核船舶的总纵强度和扭转强度。船体强度理论和船体结构强度有限元分析方法为后续的强度校核提供了理论依据和计算方法。第3章 计算模型3.1 有限元模型3.1.1 坐标规定取右手直角坐标系：x-沿船长方向，向首为正；y-沿横向，从中纵剖面向左为正；z-沿垂向，向上为正。3.1.2 单位制定义质量：吨（t）；长度：米(m)；时间：秒(s)；力 ：牛顿(N)或千牛顿(kN)；应力：牛顿/毫米2（N/mm2）；压力：

43、千牛/米2（kN/m2）。3.1.3 符号规定L船长，（m）； B船宽，（m）； D型深，（m）； d吃水，（m）； Cb方形系数； V航速，（kn）；g重力加速度，g=9.81m/s2；Cw波浪系数；海水密度，=1.025t/m3；evon Mises 应力（N/mm2）；x单元x方向的应力（N/mm2）；y单元y方向的应力（N/mm2）；xy单元xy平面的剪应力（N/mm2）；l船体梁纵向的应力（N/mm2）；w船体梁横向或垂向的应力（N/mm2）；剪应力（N/mm2）；对于纵桁和肋板取腹板总深度的平均剪应力；k材料换算系数；E材料弹性模量。对钢材，E = 2.06105 N/mm2；材料

44、泊松比。对钢材，= 0.33.1.4 模型范围计算中采用全船的模型，即选取船体结构的所有(全长、全宽及全高范围内的)主要构件建立三维有限元模型，由于船舶结构左右对称，可以只建出左舷有限元模型，通过镜像生成右舷模型来实现完整模型的建立。如图3.1。图3.1全船三维有限元模型所有主要纵向和横向结构单元均应在有限元模型中表示出来，其中包括外壳、顶边舱、底边舱，双层底肋板和桁材系统、纵骨、肋骨、纵桁以及横舱壁。这些结构单元上的所有板材和扶强材，包括梁腹加强板，加强筋等，均应表达在模型中。对于局部的支撑构件，如尺寸较小的肘板等不计入模型中，桁材、肘板上的小开孔忽略不计。3.1.5 单元和网格选择单元时，应注意要模型化构件的刚度；并且根据本船的型线，构件尺寸、板厚、开孔等建立有限元模型。考虑不同类型的单元进行如下结构模型化：1）加强筋模型化时，应使用下列单元类型：杆元：只有轴向刚度和沿长度方向的等截面的构件；梁元：有轴向、扭